1.3 제조실행시스템(MES)

제조실행시스템(MES)은 제조 현장의 생산 프로세스를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 소프트웨어 기반 시스템입니다. 생산 계획, 작업 지시, 자재 관리, 품질 관리, 생산 실적 분석 등 다양한 기능을 제공하여 제조 효율성을 높이고 생산 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다.

제조실행시스템

1.3.1 MES의 다양한 정의

제조현장과 관련된 시스템은 생산전략(연속생산, 단속생산, 반복생산, 프로젝트생산)과 Logistic전략(MTS, MTO, ATO, ETO)및 생산현장의 자동화 수준에 따라 여러 이름으로 불리며 진화해 왔다. 1980년대 초반의 POP(Point of Production, 생산시점관리)는 생산현장의 작업자를 중시한 시스템으로 작업자 중심의 데이터를 수집하고 생산현장을 고려한 작업지시가 목적이었다.

1990년대 출현한 SFC(Shop Floor Control, 제조현장관리)는 생산라인에서 발생한 데이터를 이용하여 작업지시나 작업장의 정보 상태를 관리했다. IT적으로는 Client/Server가 도입되어 제조현장의 정보를 실시간으로 사무실에서도 볼 수 있게 되었다. 1990년 후반에 소개된 MES(Manufacturing Execution System, 제조실행시스템)는 소프트웨어 중심의 관리시스템으로 생산 규모가 크고 광범위한 분야에 적용되고 있으며 제조업에서 필요한 애플리케이션을 체계적이고 표준화된 방식으로 제시하고 있다.
 
2000년도 들어와 모기업의 생산일정에 따라 협력업체의 생산 및 물류가 유연하게 처리되는 CPM(Collaborative Production Management, 동기화 생산)이 소개되기도 했으나 현재 제조현장과 관련되는 시스템은 MES(제조실행시스템)로 통일되어 불리고 있다. MES는 주문에서 최종 제품에 이르기까지 생산활동에 필요한 최적의 정보를 관리하고 있다.
 
MES시스템의 생명은 정확한 데이터에 있다. 실시간의 투명한 정보가 입력되지 않으면 큰 비용을 투자하여 구축한 ERP 시스템을 제대로 활용할 수 없다. 또한 부정확한 정보에 의해 납기약속이나 자원운영과 관련 있는 SCM에서 잘못된 의사 결정을 하여 적기에 제품이나 서비스를 제공할 수 없게 된다. 생산실적의 부정확으로 인해 잘못된 구매정보가 협력사에 제공되고 이러한 현상이 지속되면 잉여 자재가 발생하고 자재 결품으로 인한 생산 중단이 발생해서 큰 손실을 입게 된다.

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1.3.2 MES 참조 모델(MESA, S95)

MES를 설명하기 위해 여러 기관에서 다양한 Model을 제시하고 있으나 개인적으로는 ISA(Instrument Society of America)에서 제시하는 ANSI/ ISA-95(S95) 모델이 가장 일반적이라고 생각한다. S95 모델은 제조업 계층 모델의 원형이 된 Purdue CIM Reference Model의 수직구조와 가장 널리 인용되고 있는 MESA Model의 기능구조 그리고 ISA-88(Batch 공정의 표준화)을 참조해서 2002년에 IEC/ISO 62264로 국제 표준이 되었다. 
 

Manufacturing Enterprise Solutions Association(MESA)

1990년 초기의 MESA International에서 제시된 MESA-11은 MES 표준기능으로 정착되었고, 2004년에는 Collaborative MES 혹은 c-MES 모델로 공급자와 고객 간의 협업 업무를 중시한 기능으로 발전했다. MESA에서는 "주문받은 제품이 최종 제품이 될 때까지 공장 활동을 최적화할 수 있는 정보를 제공하며 정확한 실시간 데이터로 공장 활동을 지시하고, 대응하고,  보고한다"라고 정의하고 있다. 

<MESA에서 제시하고 있는 MES의 주요 기능>
- 자원할당 및 현황(Resource Allocation and Status): 자원의 세부이력과 장비를 실시간으로 공정 흐름에 적절하게 Set-up 되도록 보장한다.

- 실행 및 상세일정(Operations/ Detail Scheduling): 우선순위와 특성 등에 근거한 순서를 제공하고 이동 패턴에 따른 정확한 설비 로딩을 위한 대체 공정과 중복/ 병렬 공정을 감안하여 작업 순서를 적절히 스케줄링한다.

-작업지시(Dispatching Production Units): jobs, orders, batches, lots, work orders의 형태로 생산단위의 흐름을 관리한다.

- 문서관리(Document Control): 생산단위와 함께 유지되어야 하는 문서 또는 기록을 보관하고 제어한다.

- 데이터 수집(Data Collection/ Acquisition): 생산단위별로 수집되어야 하는 정보를 정의하고 정보를 수집하는 인터페이스 연결을 제공한다.

- 노무관리(Labor Management0): 최대 분 단위의 시간으로 작업자의 상태 및 이력을 제공한다.

- 품질관리(Quality Management): 생산제품의 품질 제어를 위해 생산 공정/ 설비로부터 수집된 측정값들의 실시간 분석을 제공한다.

- 프로세스 관리(Process Management): 생산을 모니터링하고 자동적으로 현장을 제어하거나 운영자가 공정수행 능력을 향상하거나 불필요한 낭비 요소를 제거하기 위한 의사 결정을 지원한다.

- 유지보수관리(Maintenance Management): 설비의 유지보수를 위한 예방정비 활동을 추적/ 지시한다.

- 제품추적(Product Tracking and Genealogy): 생산제품의 생산 이력 및 제품에 결합된 부품의 이력을 관리함으로써 향후 품질 개선의 인프라를 제공한다.

- 성과분석(Performance Analysis): 생산공정의 KPI(Key performance Index)를 관리함으로써 생산성 향상을 위한 분석 기능을 제공한다.   

이렇듯 MES는 세부적으로 공정진행 정보의 모니터링 및 제어, 설비 제어, 품질정보 추적 및 제어, 실적정보 집계, 자재투입 관리, 노무관리 등 제조현장에서 발생할 수 있는 모든 정보를 통합 관리하는 것으로 정의된다.
 

Internstional Society of Automation(ISA-95)

ISA-95 통합모델은 비즈니스 계획 및 물류전략, 제조운영관리, 생산제어 등을 수직적 계층으로 구분하여 레벨 0에서 레벨 4까지 다루고 있다. 레벨 0의 실제 프로세스 계층에서 레벨 4의 전사 계층까지 단계적으로 정의하고 있다.
 
레벨 1은 단위장치제어라고 불리는데 유압이나 모터를 활용하여 액추에이터를 자동 제어한다. 레벨 2는 PLC + HMI, DCS, SCADA 등을 활용하여 프로세스를 제어하며 공장설비제어(혹은 공정제어)로 통칭한다. 레벨 3에 해당하는 제조 운영관리 계층을 MOM(Manufacturing Operations Management)으로 정의하고 있다.

 

레벨 1에서 레벨 3까지를 광의의 MES 영역으로, 레벨 3만을 협의의 MES로 부르기도 한다. 그리고 제조환경을 객체 모델(Object Model)과 액티비티 모델(Activity Model)로 구성하고 각 계층의 인터페이스를 표준화하도록 했다. 설비의 운영이나 센세의 구동 등 레벨 0, 1, 2의 경우를 Batch Process 산업에 대한 표준화(ISA-88)로 상세 정의하고 ISA-95 모델에서는 협의의 MES 모델에 중점을 두어 레벨 3과 레벨 4의 관계를 주로 다루고 있다. 
 

기타

이외에도 최근에는 모바일, 클라우드 등의 ICT 기술의 발전과 과거 단일 공장 내의 수직적 정보통합화 추진 방향에서 수평적으로 분산된 글로벌한 생산공장의 중앙 원격관리의 중요성이 부각되면서 새로운 모델들이 등장하고 있다. ARC Advisory Group에서는 공급자와 고객 간의 생산협업과 중앙에서 분산된 공장의 생산자원 관리를 중시한 CPM/ COM 모델을 소개하고 있다.

 

AMR Research사는 RFID와 센서 네트워크, 모바일, 사용자 편의성을 중시한 UI, 복수 공장과 협업하는 수요기반 제조를 위한 제조용 SOA 기반의 Manufacturing 2.0 모델을 확정된 생산계획으로 전 세계 공장에 설치되어 있는 공작기계에 가공정보를 OPC(OLE for Process Control)를 통하여 실시간 처리가 가능하도록 구성하고 있으며 공작기계 제조업과 가공 업무의 비중이 높은 분야에서 활발하게 적용이 추진되고 있다.

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1.3.3 MES 주요 기능 및 표준화 동향

제조현장을 운영하기 위해서 필요로 하는 기능은 업종별, 생산방식별 혹은 현장의 자동화 수준에 따라서 천차만별이라고 할 수 있다. 자동화가 가장 많이 진전된 반도체나 디스플레이 등의 FAB만 하더라도 SEMATECH의 ITRS(반도체국제기술로드맵)에서 제시한 바에 따르면 작업지시를 위한 Scheduling/ Dispatching, 제품 추적을 위한 MES의 핵심 기능이라고 부를 수 있는 WIP Tracking/ Machine Tracking, 반송장치 제어를 위한 AMHS/ MCS, 장비를 대상으로 의사 역할을 하는 APC(FDC, R2R), 설비 보전과 관련 있는 Maintenance System/ Spare Parts Management, 수율과 관계되는 Quality Management System/ YMS 등 그 수가 상당히 많다.

 

2008년 ISMI NGF 워크숍에서는 프로세스가 미세화되고 웨이퍼의 크기가 커짐에 따라 비용을 절감하고 사이클 타임을 단축시키는 차세대 공장을 실현하기 위해서 Carrier 및 웨이퍼 자동반송시스템(AMHS), 장치설계, 장치제어의 관점에서 지원해야 될 19개 항목의 가이드라인이 추가 선정되었다. 이렇듯 제조기술과 생산역량이 중대되고 IT기술이 발전함에 따라 MES에서 필요로 하는 기능은 계속 늘어나고 있다.

 

미국에서 자동화에 대한 표준을 주도하고 있는 ISA에서는 제조시스템과 경영시스템 간의 통합을 위한 ISA SP95 위원회를 결성했다. 개방형 표준 XML형식으로 웹서비스와 같은 재사용 가능한 통합 소프트웨어 구성 요소를 촉진하기 위한 목적이며 이 위원회에서는 ISA-95 Enterprise-Control System Integration Standard를 제시했다. S/W 공급자, 제조업 관계자와 SI(시스템 통합) 사업자 등이 참여하여 크게 5개의 파트로 구성된 MES 표준을 제시했다.

<5개의 파트로 구성된 MES 표준>
Part 1: 모델과 용어
Part 2: 객체모델 속성
Part 3: 제조운영 모델
Part 4: 제조운영 관리를 위한 객체모델과 속성
Part 5: B2M 트랜잭션

ISA SP95 위원회에서 제시하고 있는 통합 ISA 표준안은 WBF, OPC foundation, OAGi, Open O&M, MIMOSA 등이 참여하고 있는데 제조운영 표준화를 통해 경영시스템의 SCM 모델인 OAGIS 및 SCOR Model(Supply Chain Operations Reference model)과 통합된 표준을 제시하고 있다.

 

지금까지 MESA와 ISA의 표준화 활동에 대해 살펴보았는데 국가 간의 실질적 표준은 ISO 표준 공시를 근거로 수행되고 있으며, MES와 연계된 국제 표준은 ISO TC184 SC5 조직하의 WG1, WG4, WG5, WG6, WG7 등으로 구성되어 있다. 특히, WG7에서는 장치산업 등에서 OSA의 MIMOSA, OPC 표준을 기반으로 설비 진단 및 유지보수 시스템을 제어, 제조, 기업 내, 기업 간 레벨로 나누고 각각의 관리 시스템과 진단 및 유지보수 시스템과의 통합 모델 및 호환성에 대한 표준화를 진행하고 있다.